摘要：根據(jù)國際空中機器人大賽的第7代任務(wù)以及現(xiàn)場的比賽環(huán)境，本文提出了一種單純依靠機載設(shè)備的任務(wù)實現(xiàn)方法，完成了該方法的硬件電路設(shè)計以及平臺搭建、軟件算法的設(shè)計與調(diào)試，并進行了對地面機器人的跟蹤實驗。該方法硬件平臺由STM32微控制器、威盛P910 X86嵌入式工控機、悟空飛控系統(tǒng)以及外圍傳感器組成。軟件在機器人操作系統(tǒng)框架下編寫，主要包括定位模塊、目標識別與追蹤控制模塊、高度控制模塊、障礙規(guī)避模塊和驅(qū)趕策略模塊。

　　引言

　　國際空中機器人大賽 (International Aerial Robotics Competition, IARC)自1991年首次開展以來，已經(jīng)成為當(dāng)今歷史最長、最具挑戰(zhàn)性的無人機大賽之一。該賽事在23年的歷程中，先后完成了6代任務(wù)，2014年進入第7代任務(wù)。比賽目的是推動無人機技術(shù)向前發(fā)展。

　　當(dāng)前的第7代任務(wù)需要無人機驅(qū)趕地面機器人越過指定邊界，同時還要躲避障礙物并滿足飛行高度和邊界限制。由于比賽場地是邊長為20米的正方形區(qū)域，如圖1所示，且無人機只能在沒有先驗地圖的情況下完成比賽，所以成熟的無人機實時定位與地圖構(gòu)建(Simutaneously Locating and Mapping, SLAM)方法^[1-2]是不適用的，必須重新設(shè)計新的實現(xiàn)方法。

　　多旋翼無人機是一種多軸飛行器，有多個旋翼來懸停、維持姿態(tài)及平飛。和固定翼飛機不同，它通過旋翼提供的推力使飛機升空，其旋翼大小相同，分布位置接近對稱，比較常見的是四旋翼和六旋翼。簡單來說，通過調(diào)整不同旋翼之間的相對速度來調(diào)節(jié)不同位置的推力，并克服每個旋翼之間的反扭力矩，就可以控制飛機維持姿態(tài)、或完成各種機動飛行。出于比賽對飛行器尺寸的限制以及平臺的成熟度考慮，這里選用四旋翼作為無人機平臺，搭建的無人機平臺如圖2所示。

　　第7代任務(wù)的技術(shù)重點是移動目標跟蹤與降落、移動障礙物規(guī)避和驅(qū)趕策略制定。這些任務(wù)的完成需要激光雷達、攝像頭，超聲波和慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)等傳感器，同時在軟件層面需要多任務(wù)同時運行。這對編程提出了很大的挑戰(zhàn)，為了方便程序的多任務(wù)管理、程序復(fù)用和多任務(wù)通信，引入機器人操作系統(tǒng)(Robotic Operating System，ROS)框架。ROS是基于Linux，針對機器人任務(wù)而深度定制的操作系統(tǒng)^[3]。ROS以其節(jié)點化的組織結(jié)構(gòu)和多編程語言的支持使程序員能更加專注于算法的實現(xiàn)，ROS內(nèi)部有專門的節(jié)點管理器負責(zé)節(jié)點間的通信，還能對同一個WIFI網(wǎng)段的節(jié)點進行管理?？紤]到比賽現(xiàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境，將圖像傳回地面站進行計算存在傳輸延時以及連接中斷的風(fēng)險，將計算主要放在無人機機載設(shè)備上是一個可靠的選擇，地面站則負責(zé)一些飛行狀態(tài)的顯示。

　　1 硬件平臺

　　平臺采用XAircraft X650 Pro碳纖可折疊四旋翼機架，TMOTOR 3110電機和配套電調(diào)。底層飛行器姿態(tài)控制選用悟空飛控系統(tǒng)，遙控器選用天地飛7通道遙控器，使用STM32做手自動切換。上層部分選用X86嵌入式微控制器負責(zé)圖像獲取、激光雷達數(shù)據(jù)獲取、控制指令計算和飛行數(shù)據(jù)反饋，圖3是飛行器的整體框架，由于各個模塊所需的電壓不同，這里的供電部分采用虛線連接，下面具體介紹各個硬件模塊。

　　1.1 手動自動切換

　　由于悟空飛控系統(tǒng)整體是不開源的，不能獲得其姿態(tài)解算數(shù)據(jù)，只能通過改變其輸入信號來改變其飛行方向，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)接收機信號是周期為21ms的PWM信號。為了滿足程序自動控制和遙控器手動控制的切換，這里引入STM32單片機實現(xiàn)手/自動控制的切換和模擬接收機信號。接收機5路信號即油門、俯仰、偏航、橫滾和手動自動切換，STM32的5個定時器負責(zé)捕捉5路接收機信號，1個定時產(chǎn)生4路周期相同的PWM信號來模擬實際的接收機信號并輸出給悟空飛控，具體見圖4。

　　1.2 視覺部分

　　四旋翼的視覺部分主要由攝像頭、嵌入式工控機組成，攝像頭選用羅技HD720P廣角USB攝像頭。視覺算法需要一定的硬件計算資源，考慮到ARM架構(gòu)的控制板的計算能力有限且存在交叉編譯的問題，這里選用X86架構(gòu)的工控機作為機載計算平臺，參考市面上的一些微工控機以及尺寸功耗的考慮，最終選用威盛P910工控機。